Produção industrial de amônia. Métodos para produzir amônia

Vários fatores influenciam o processo de produção da quantidade ideal de um produto químico, bem como a obtenção de sua qualidade máxima. A produção de amônia depende dos parâmetros de pressão, temperatura, presença de um catalisador, das substâncias utilizadas e do método de extração do material resultante. Esses parâmetros devem ser devidamente balanceados para obter o maior lucro do processo de produção.

Propriedades da amônia

Em temperatura ambiente e umidade normal, a amônia está em um estado gasoso e tem um odor muito desagradável. É dotado de um efeito venenoso e irritante nas membranas mucosas do corpo. A produção e propriedades da amônia dependem da participação da água no processo, uma vez que essa substância é muito solúvel nas características normais do meio ambiente.

A amônia é um composto de hidrogênio e nitrogênio. Sua fórmula química é NH 3.

Este produto químico atua como um agente redutor ativo, que libera nitrogênio livre como resultado da combustão. A amônia exibe as características de bases e álcalis.

Reação de uma substância com água

Dissolver NH 3 em água dá água com amônia. Máximo em temperatura normal, 700 volumes de amônia podem ser dissolvidos em 1 volume de um elemento aquoso. Essa substância é conhecida como amônia e é amplamente utilizada na indústria de fertilizantes, em instalações tecnológicas.

O NH 3 obtido por dissolução em água é parcialmente ionizado por suas qualidades.

A amônia é usada em um dos métodos de laboratório para a obtenção deste elemento.

Obtenção de uma substância em laboratório

O primeiro método para produzir amônia é fazer a amônia ferver, após o que o vapor resultante é seco e o composto químico necessário é coletado. A obtenção de amônia no laboratório também é possível por aquecimento de cal apagada e cloreto de amônio sólido.

A reação para a obtenção de amônia é a seguinte:

2NH 4 Cl + Ca (OH) 2 → CaCl 2 + 2NH 3 + 2H 2 O

Durante esta reação, um precipitado branco se forma. Este é um sal CaCl 2, e também se formam água e a amônia desejada. Para a desumidificação da substância desejada, esta é passada por uma mistura de cal em combinação com sódio.

A obtenção de amônia em laboratório não fornece a tecnologia ideal para sua produção nas quantidades necessárias. Há muitos anos as pessoas procuram maneiras de extrair a substância em escala industrial.

As origens do estabelecimento de tecnologias de produção

Durante 1775-1780, foram realizados experimentos sobre a ligação de moléculas de nitrogênio livres da atmosfera. O químico sueco K. Schelle encontrou uma reação que parecia

Na 2 CO 3 + 4C + N 2 \u003d 2NaCN + 3CO

Com base nisso, em 1895, N. Caro e A. Frank desenvolveram um método para a ligação de moléculas de nitrogênio livre:

CaC 2 + N 2 \u003d CaCN 2 + C

Essa opção exigia muita energia e não era economicamente lucrativa, portanto, com o tempo, foi abandonada.

Outro método bastante caro foi o processo de interação das moléculas de nitrogênio e oxigênio descoberto pelos químicos ingleses D. Priestley e G. Cavendish:

Crescente demanda por amônia

Em 1870, esse produto químico era considerado um produto indesejado pela indústria do gás e era praticamente inútil. No entanto, após 30 anos, tornou-se muito popular na indústria de coque de subprodutos.

Primeiro, a necessidade crescente de amônia foi reabastecida separando-a do carvão. Mas com o aumento de 10 vezes no consumo da substância, foi realizado um trabalho prático para encontrar formas de extraí-la. A produção de amônia começou a ser introduzida a partir das reservas de nitrogênio atmosférico.

A necessidade de substâncias à base de nitrogênio foi observada em quase todos os setores conhecidos da economia.

Encontrando maneiras de atender à demanda industrial

A humanidade percorreu um longo caminho para a implementação da equação para a produção de matéria:

N 2 + 3H 2 \u003d 2NH 3

A produção de amônia na indústria foi realizada pela primeira vez em 1913 por síntese catalítica de hidrogênio e nitrogênio. O método foi descoberto por F. Haber em 1908.

A tecnologia aberta resolveu um problema antigo para muitos cientistas de diferentes países. Até o momento, não era possível ligar o nitrogênio na forma de NH 3. Esse processo químico é chamado de reação da cianamida. Quando a temperatura da cal e do carbono aumentou, a substância CaC 2 (carboneto de cálcio) foi obtida. Pelo aquecimento do nitrogênio e obtenção da cianamida cálcio CaCN 2, a partir do qual a liberação de amônia ocorreu por hidrólise.

Introdução de tecnologias para a produção de amônia

A produção de NH 3 em escala global de consumo industrial começou com a compra de uma patente de tecnologia de F. Haber por A. Mittasch, representante da fábrica de Baden Soda. No início de 1911, a síntese de amônia em uma pequena planta tornou-se regular. K. Bosch criou um grande aparelho de contato baseado nos desenvolvimentos de F. Haber. Era o equipamento original para fornecer um processo de síntese para extração de amônia em escala de produção. K. Bosch assumiu toda a liderança nesta questão.

A economia de custos de energia envolveu a participação de certos catalisadores nas reações de síntese.

Um grupo de cientistas que trabalhava para encontrar constituintes adequados propôs o seguinte: um catalisador de ferro, ao qual foram adicionados óxidos de potássio e alumínio, e que ainda é considerado um dos melhores fornecedores de produção de amônia na indústria.

09/09/1913 iniciou seus trabalhos a primeira planta do mundo utilizando a tecnologia de síntese catalítica. A capacidade de produção foi aumentando gradativamente e, no final de 1917, eram produzidas 7 mil toneladas de amônia por mês. No primeiro ano de operação da planta, esse número era de apenas 300 toneladas por mês.

Posteriormente, todos os outros países também passaram a utilizar a tecnologia de síntese com o uso de catalisadores, que em sua essência não diferia muito da técnica de Haber-Bosch. A utilização de processos de alta pressão e circulação ocorreu em qualquer processo tecnológico.

Introdução de síntese na Rússia

Na Rússia, a síntese também foi utilizada com o uso de catalisadores que garantem a produção de amônia. A reação é assim:

Na Rússia, a primeira planta de síntese de amônia começou seu trabalho em 1928 em Chernorechensk e, em seguida, instalações de produção foram construídas em muitas outras cidades.

O trabalho prático na produção de amônia está constantemente ganhando impulso. No período de 1960 a 1970, a síntese aumentou quase 7 vezes.

No país, substâncias catalíticas mistas são utilizadas para o sucesso na produção, coleta e reconhecimento da amônia. O estudo de sua composição é realizado por um grupo de cientistas liderado por S. S. Lachinov. Foi este grupo que encontrou os materiais mais eficazes para a tecnologia de síntese.

Além disso, a cinética do processo está sendo pesquisada constantemente. Desenvolvimentos científicos nesta área foram realizados por M. I. Temkin, bem como seus colegas. Em 1938, esse cientista, junto com seu colega V.M.Pyzhev, fez uma importante descoberta, melhorando a produção de amônia. A equação da cinética de síntese, compilada por esses químicos, é agora aplicada em todo o mundo.

Processo de síntese moderno

O processo de produção de amônia auxiliado por catalisador usado na produção atual é reversível. Portanto, a questão do nível ótimo de influência dos indicadores sobre o alcance da produção máxima dos produtos é muito relevante.

O processo ocorre em alta temperatura: 400-500 ˚С. Um catalisador é usado para fornecer a taxa de reação necessária. A produção moderna de NH 3 envolve o uso de alta pressão - cerca de 100-300 atm.

Juntamente com o uso de um sistema de circulação, uma massa suficientemente grande de materiais iniciais convertidos em amônia pode ser obtida.

Produção moderna

O sistema de operação de qualquer planta de amônia é bastante complexo e contém várias etapas. A tecnologia de obtenção da substância desejada é realizada em 6 etapas. No processo de realização da síntese, a amônia é obtida, coletada e reconhecida.

A etapa inicial é a extração do enxofre do gás natural por meio de um dessulfurizador. Essa manipulação é necessária devido ao fato de que o enxofre é um veneno catalítico e mata o catalisador de níquel mesmo na fase de recuperação de hidrogênio.

No segundo estágio, ocorre a conversão do metano, que prossegue com o uso de alta temperatura e pressão com catalisador de níquel.

No terceiro estágio, ocorre a combustão parcial do hidrogênio no oxigênio atmosférico. O resultado é uma mistura de vapor d'água, monóxido de carbono e nitrogênio.

No quarto estágio, ocorre uma reação de deslocamento, que ocorre sob diferentes catalisadores e duas diferentes condições de temperatura. Inicialmente é utilizado Fe 3 O 4, e o processo ocorre à temperatura de 400 ° C. Na segunda etapa, é envolvido um catalisador de cobre, mais eficaz em seu efeito, que permite que a produção seja realizada em baixas temperaturas.

O próximo quinto estágio envolve a eliminação do monóxido de carbono (VI) desnecessário da mistura de gases, usando a tecnologia de absorção com uma solução alcalina.

Na etapa final, o monóxido de carbono (II) é removido por meio da reação de conversão de hidrogênio em metano por meio de um catalisador de níquel e alta temperatura.

A mistura de gases resultante contém 75% de hidrogênio e 25% de nitrogênio. É comprimido sob grande pressão e depois resfriado.

São essas manipulações que a fórmula de liberação de amônia descreve:

N 2 + 3H 2 ↔ 2 NH 3 + 45,9 kJ

Embora este processo não pareça muito complicado, todas as ações acima para sua implementação indicam a dificuldade de obtenção de amônia em escala industrial.

A qualidade do produto final é afetada pela ausência de impurezas na matéria-prima.

Tendo percorrido um longo caminho desde a pequena experiência de laboratório para a produção em grande escala, a produção de amônia é hoje um ramo exigido e insubstituível da indústria química. Esse processo está em constante aprimoramento, proporcionando qualidade, eficiência e quantidade de produto necessária para cada célula da economia nacional.

DEFINIÇÃO

Amônia - nitreto de hidrogênio.

Fórmula - NH 3. A massa molar é de 17 g / mol.

Propriedades físicas da amônia

A amônia (NH 3) é um gás incolor com odor pungente (cheiro de "amônia"), mais leve que o ar, facilmente solúvel em água (um volume de água dissolve até 700 volumes de amônia). A solução concentrada de amônia contém 25% (massa) de amônia e tem uma densidade de 0,91 g / cm 3.

As ligações entre os átomos na molécula de amônia são covalentes. Visão geral da molécula AB 3. Todos os orbitais de valência do átomo de nitrogênio entram em hibridização, portanto, o tipo de hibridização da molécula de amônia é sp 3. A amônia tem uma estrutura geométrica do tipo AB 3 E - pirâmide trigonal (Fig. 1).

Figura: 1. A estrutura da molécula de amônia.

Propriedades químicas da amônia

Quimicamente, a amônia é bastante ativa: ela entra em reações de interação com muitas substâncias. O estado de oxidação do nitrogênio na amônia "-3" é mínimo; portanto, a amônia exibe apenas propriedades redutoras.

Quando a amônia é aquecida com halogênios, óxidos de metais pesados \u200b\u200be oxigênio, o nitrogênio é formado:

2NH 3 + 3Br 2 \u003d N 2 + 6HBr

2NH 3 + 3CuO \u003d 3Cu + N 2 + 3H 2 O

4NH 3 + 3O 2 \u003d 2N 2 + 6H 2 O

Na presença de um catalisador, a amônia pode ser oxidada a óxido nítrico (II):

4NH 3 + 5O 2 \u003d 4NO + 6H 2 O (catalisador - platina)

Ao contrário dos compostos de hidrogênio de não metais dos grupos VI e VII, a amônia não exibe propriedades ácidas. No entanto, os átomos de hidrogênio em sua molécula ainda podem ser substituídos por átomos de metal. Com a substituição completa do hidrogênio por um metal, ocorre a formação de compostos chamados nitretos, que também podem ser obtidos pela interação direta do nitrogênio com um metal em altas temperaturas.

As principais propriedades da amônia são devidas à presença de um único par de elétrons no átomo de nitrogênio. Uma solução de amônia em água tem um meio alcalino:

NH 3 + H 2 O ↔ NH 4 OH ↔ NH 4 + + OH -

Quando a amônia interage com ácidos, os sais de amônio são formados, que se decompõem quando aquecidos:

NH 3 + HCl \u003d NH 4 Cl

NH 4 Cl \u003d NH 3 + HCl (quando aquecido)

Produção de amônia

Existem métodos industriais e de laboratório para a produção de amônia. No laboratório, a amônia é obtida pela ação de álcalis sobre soluções de sais de amônio aquecidas:

NH 4 Cl + KOH \u003d NH 3 + KCl + H 2 O

NH 4 + + OH - \u003d NH 3 + H 2 O

Esta reação é qualitativa para íons de amônio.

Aplicação de amônia

A produção de amônia é um dos processos tecnológicos mais importantes do mundo. Cerca de 100 milhões de toneladas de amônia são produzidas anualmente no mundo. A liberação de amônia é realizada na forma líquida ou na forma de solução aquosa a 25% - água com amônia. As principais áreas de uso de amônia são a produção de ácido nítrico (posteriormente a produção de fertilizantes minerais contendo nitrogênio), sais de amônio, uréia, urotropina, fibras sintéticas (náilon e náilon). A amônia é usada como refrigerante em instalações de refrigeração industrial, como agente de branqueamento para limpeza e tingimento de algodão, lã e seda.

Exemplos de resolução de problemas

EXEMPLO 1

A amônia (NH3) é um composto químico de hidrogênio com nitrogênio. Seu nome vem da palavra grega “hals ammniakos” ou do latim “sal ammoniacus” que se traduz da mesma forma - “amônia”. Era uma substância chamada oásis de amônio, obtida no deserto da Líbia.

A amônia é considerada uma substância altamente tóxica que pode irritar as membranas mucosas dos olhos e do trato respiratório. Os sintomas primários são lacrimejamento abundante, falta de ar e pneumonia. Mas, ao mesmo tempo, a amônia é um produto químico valioso que é amplamente usado para obter ácidos inorgânicos, por exemplo, nítrico, cianídrico, bem como uréia e sais contendo nitrogênio. A amônia líquida é um excelente meio de trabalho para contêineres refrigerados e máquinas, pois possui alto calor específico de vaporização. Os fertilizantes aquáticos são usados \u200b\u200bcomo fertilizantes líquidos, bem como para a amonização de superfosfatos e misturas de fertilizantes.

A produção de amônia a partir dos gases residuais do processo de coqueificação do carvão é o método mais antigo e acessível, mas hoje já está desatualizado e praticamente não é utilizado.

O método principal e moderno é a produção de amônia na indústria com base no processo Haber. Sua essência está na interação direta de nitrogênio e hidrogênio, que ocorre como resultado da conversão de gases hidrocarbonetos. Normalmente, refinarias de petróleo, gases de petróleo associados, gases residuais da produção de acetileno são usados \u200b\u200bcomo matéria-prima. A essência do método de produção de conversão de amônia consiste na decomposição do metano e seus homólogos a alta temperatura em componentes: hidrogênio e com a participação de oxidantes - oxigênio e vapor de água. Ao mesmo tempo, o ar enriquecido com oxigênio ou o ar atmosférico é misturado ao gás convertido. Inicialmente, a reação de produção de amônia a partir do gás convertido prossegue com a liberação de calor, mas com diminuição do volume dos produtos iniciais da reação:

N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 45,9 kJ

Porém, a produção de amônia em escala industrial é realizada com catalisador e sob condições criadas artificialmente que aumentam o rendimento do produto acabado. Na atmosfera onde a amônia é obtida, a pressão sobe para 350 atmosferas, e a temperatura sobe para 500 graus Celsius. Nessas condições, o rendimento da amônia é de cerca de 30%. O gás é removido da zona de reação usando um método de resfriamento, e o nitrogênio e o hidrogênio que não reagiram são devolvidos à coluna de síntese e podem novamente participar das reações. No decorrer da síntese, é muito importante purificar a mistura de gases dos venenos catalíticos, substâncias que podem anular o efeito dos catalisadores. Essas substâncias são vapor de água, CO, As, P, Se, O2, S.

O ferro poroso com misturas de óxidos de alumínio e potássio atua como um catalisador nas reações de síntese de nitrogênio e hidrogênio. Somente esta substância, das 20 mil experimentadas anteriormente, permite atingir o estado de equilíbrio da reação. Este princípio de obtenção de amônia é considerado o mais econômico.

A produção de amônia em laboratório é baseada na tecnologia de deslocamento de sais de amônio com álcalis fortes. Esta reação é esquematicamente representada da seguinte forma:

2NH4CI + Ca (OH) 2 \u003d 2NH3 + CaCl2 + 2H2O

NH4Cl + NaOH \u003d NH3 + NaCl + H2O

Para remover o excesso de umidade e secar a amônia, ela é passada por uma mistura de hidróxido de sódio e cal. A obtenção de amônia muito seca é obtida dissolvendo o sódio metálico nele e, em seguida, destilando a mistura. Na maioria das vezes, essas reações são realizadas em um sistema de metal fechado sob vácuo. Além disso, tal sistema deve suportar alta pressão, que é alcançada pela evolução de vapores de amônia, até 10 atmosferas em temperatura ambiente.

O moderno processo de produção de amônia baseia-se na síntese de nitrogênio e hidrogênio em temperaturas de 380 - 450 0C e pressão de 250 atm com catalisador de ferro:

N2 (g) + 3H2 (g) \u003d 2NH3 (g)

O nitrogênio é obtido do ar. O hidrogênio é produzido pela redução da água (vapor) com o metano do gás natural ou da nafta. A nafta (nafta) é uma mistura líquida de hidrocarbonetos alifáticos obtida durante o processamento do petróleo bruto (ver Capítulo 18).

A operação de uma planta de amônia moderna é muito complexa. Na fig. 7.2 mostra um diagrama simplificado de uma planta de amônia operando com gás natural. Este esquema de ação inclui oito etapas.

1ª etapa. Remoção do enxofre do gás natural. Isso é necessário porque o enxofre é um veneno catalítico (consulte a Seção 9.2).

2ª etapa. Produção de hidrogênio por redução de vapor a 750 0C e uma pressão de 30 atm usando um catalisador de níquel:

CH4 (g) + H2O (g) \u003d CO (g) + ZN 2 (g)

3º estágio. Entrada de ar e combustão de parte do hidrogênio no oxigênio do ar injetado:

2H2 (g) + O2 (g) \u003d 2H2O (g) O resultado é uma mistura de vapor d'água, monóxido de carbono e nitrogênio. O vapor d'água é reduzido para formar hidrogênio, como na 2ª etapa.

4ª etapa. Oxidação do monóxido de carbono formado nos estágios 2 e 3 em dióxido de carbono pela seguinte reação de "deslocamento": CO (g) + H2O (g) \u003d CO2 (g) + H2 (g)

Este processo é realizado em dois "reatores de cisalhamento". Na primeira delas, é utilizado um catalisador de óxido de ferro e o processo é realizado a uma temperatura de cerca de 400 ° C. Na segunda, é utilizado um catalisador de cobre e o processo é realizado a uma temperatura de 220 ° C.

5ª etapa. Lavar o dióxido de carbono da mistura de gases usando uma solução tampão alcalina de carbonato de potássio ou uma solução de qualquer amina, por exemplo etanolamina NH2CH2CH2OH. O dióxido de carbono é eventualmente liquefeito e usado para produzir uréia ou liberado na atmosfera.

6ª etapa. Após o 4º estágio, cerca de 0,3% do monóxido de carbono ainda permanece na mistura de gases. Uma vez que pode envenenar o catalisador de ferro durante a síntese de amônia (no 8º estágio), o monóxido de carbono é removido pela conversão com hidrogênio em metano em um catalisador de níquel a uma temperatura de 325 ° C.

7ª etapa. A mistura de gases, que agora contém aproximadamente 74% de hidrogênio e 25% de nitrogênio, é comprimida; enquanto sua pressão aumenta de 25-30 atm para 200 atm. Como isso aumenta a temperatura da mistura, ela é resfriada imediatamente após a compressão.

8ª etapa. O gás do compressor agora entra no "ciclo de síntese de amônia". O circuito mostrado na Fig. 7.2 dá uma visão simplificada deste estágio. Primeiro, a mistura de gases entra no conversor catalítico, que usa um catalisador de ferro e mantém uma temperatura de 380-450 ° C. A mistura de gás que sai deste conversor não contém mais do que 15% de amônia. Em seguida, a amônia é liquefeita e enviada para o funil de recepção, e os gases que não reagiram são devolvidos ao conversor.

Métodos para produção de amônia

A matéria-prima na produção de amônia é uma mistura de nitrogênio-hidrogênio (ABC) de composição estequiométrica N2: H2 \u003d 1: 3. Como os recursos de nitrogênio atmosférico são praticamente inesgotáveis, a matéria-prima base da produção de amônia é determinada pelo segundo componente da mistura - hidrogênio, que pode ser obtido pela separação do gás de coque reverso, gaseificação de sólidos combustível, conversão de gás natural (Fig. 14.5).

Figura: 14,5. Matérias-primas para produção de amônia

A estrutura da base de matéria-prima para a produção de amônia mudou e mais de 90% da amônia é produzida com base na natureza - 14.3 mostra a dinâmica das mudanças na estrutura dos principais tipos de matérias-primas para a produção de amônia.

Tabela 14.3. Mudanças na base de matéria-prima para produção de amônia

A mistura de nitrogênio-hidrogênio, independentemente do método de preparação, contém impurezas de substâncias, algumas das quais são venenos catalíticos, causando envenenamento reversível (oxigênio, óxidos de carbono, vapor de água) e irreversível (vários compostos de enxofre e fósforo) do catalisador.

Para a remoção dessas substâncias, o ABC é submetido a uma purificação preliminar, cujos métodos e profundidade dependem de sua natureza e conteúdo, ou seja, do método de produção do ABC, Normalmente, o ABC obtido pela conversão do gás natural contém monóxido de carbono (IV), metano, argônio, vestígios de oxigênio e até 0,4% Vol. monóxido de carbono (II).

Para a purificação ABC na indústria, são utilizados os métodos de absorção por sequestrantes de líquidos (método úmido) e adsorção por sequestrantes sólidos (método seco). Além disso, o processo de limpeza pode ser realizado em vários estágios de produção:

Gás inicial antes de alimentá-lo para conversão;

gás convertido para remover o monóxido de carbono (IV) dele;

Mistura de nitrogênio-hidrogênio imediatamente antes da síntese de amônia (purificação fina ABC).

Os primeiros dois processos são considerados ao descrever as respectivas indústrias.

A purificação fina do ABC é realizada por quimissorção de impurezas com reagentes líquidos e, finalmente, por hidrogenação catalítica dos mesmos ou lavagem do ABC com nitrogênio líquido.

Para remover o monóxido de carbono (IV) e o sulfeto de hidrogênio, o ABC é lavado em torres embaladas com reagentes alcalinos que formam sais termicamente instáveis \u200b\u200bcom eles: uma solução aquosa de etanolamina ou solução quente de carbonato de potássio ativada pela adição de dietanolamina. Nesse caso, as reações ocorrem, respectivamente:

H 2S + CH 2OH-CH 2NH 2+ HS- -? H,

CO 2 + K 2COz + H 2O? 2KNSO3 -? N.

O monóxido de carbono (II) é removido do ABC lavando-o com uma solução de cobre-amônia de acetato de cobre:

CO + NH3 + + Ac? + Ats -? N,

onde: Ac \u003d CH3 SOO.

Os absorventes usados \u200b\u200bpara quimissorção formam compostos instáveis \u200b\u200bcom os absorvidos do ABC. Portanto, quando suas soluções são aquecidas e a pressão é reduzida, as impurezas dissolvidas são dessorvidas, o que facilita a regeneração do absorvente, devolvê-lo ao processo e garantir a ciclicidade da operação de absorção de acordo com o esquema:

onde: P - impureza absorvida de ABC, A - absorvente, PA - composto de impureza e absorvente.

Um método mais eficiente de limpeza do ABC do monóxido de carbono (II) é a lavagem ABC com nitrogênio líquido a -190 ° C, usado em instalações modernas, durante o qual, além do monóxido de carbono (II), o metano e o argônio são removidos.

A purificação final do ABC é alcançada por hidrogenação catalítica de uma impureza chamada metanação ou pré-catálise. Este processo é realizado em unidades especiais de metanação (Fig. 14.6) a uma temperatura de 250-300 ° C e uma pressão de cerca de 30 MPa em um catalisador de níquel-alumínio (Ni + Al 2O 3) Neste caso, ocorrem reações exotérmicas de redução de impurezas contendo oxigênio em metano, que não é um veneno para o catalisador de ferro, e a água condensa quando o gás purificado é resfriado e removido dele:

CO + ZN 2 ? CH 4 + H 2ISTO,

CO 2+ 4H 2 ? CH 4 + 2H 2ISTO,

SOBRE 2 + 2H 2? 2H 2ISTO

Figura: 14.6. Diagrama da planta de metanação ABC: 1 - compressor, 2 - aquecedor, 3 - reator de metanação, 4 - aquecedor de água, 5 - condensador, 6 - separador de umidade

Se um catalisador de ferro é usado na pré-catálise, alguma quantidade de amônia também é formada durante a hidrogenação; neste caso, a pré-catálise é chamada de purga.

O processo de metanação é simples, facilmente controlável, e o calor liberado devido às contínuas reações de hidrogenação exotérmica é usado no esquema energético-tecnológico geral da produção de amônia. O ABC purificado fornecido para a síntese contém até 0025 vol. fracções de árgon, 0,0075 vol. frações de metano e nada mais, 00004 vol. fração de monóxido de carbono (II), que é o veneno catalítico mais poderoso.

O processo de síntese de amônia é baseado em uma reação exotérmica reversível que ocorre com uma diminuição no volume de gás:

2+ 3H 2 + 2NH 3 + Q.

De acordo com o princípio de Le Chatelier, com o aumento da pressão e a diminuição da temperatura, o equilíbrio dessa reação muda para a formação de amônia. Para garantir a velocidade ideal do processo, um catalisador, aumento de pressão, uma temperatura de 400 ... 500 ° C e uma certa velocidade espacial dos componentes reagentes são necessários. A indústria usa um catalisador de ferro com aditivos de óxidos de Al 2SOBRE 3, K 2О, CaO e SiO2 .

Existem os seguintes sistemas industriais de unidades de síntese de amônia: baixa pressão (10 ... 20 MPa), média (20 ... 45 MPa) e alta pressão (60 ... 100 MPa). Os sistemas de média pressão são amplamente usados \u200b\u200bna prática mundial, uma vez que, neste caso, os problemas de separação de amônia de uma mistura de nitrogênio-hidrogênio são resolvidos com mais sucesso em uma velocidade de processo suficientemente alta.

CH 4 + H2 SOBRE? CO + 3H 2

Há uma combustão parcial de hidrogênio no oxigênio atmosférico:

H 2 + O 2 \u003d H 2Oh (vapor)

Como resultado, nesta fase, obtém-se uma mistura de vapor d'água, monóxido de carbono (II) e nitrogênio.

A principal unidade da instalação para a produção de amônia é a coluna de síntese (Fig. 1.1). Uma coluna tubular em um sistema de pressão média é um cilindro 4 feito de aço cromo vanádio com uma espessura de parede de até 200 mm, um diâmetro de 1 ... 1,4 me uma altura de cerca de 20 m. É fechado por cima e por baixo com tampas de aço 2.

Estruturalmente, as colunas diferem principalmente nas dimensões do corpo e na disposição da embalagem interna. Na parte superior da coluna em questão existe uma caixa de catalisador 3 e na parte inferior um permutador de calor 8, o que garante o carácter autotérmico do processo. A caixa do catalisador é conectada ao trocador de calor por um tubo central 7. O corpo da coluna tem isolamento térmico 5. O catalisador é carregado na grelha 6. Para garantir a distribuição uniforme da temperatura, tubos duplos 1 são introduzidos no leito do catalisador.

Figura: 1.1. Coluna de síntese de amônia com tubos duplos de troca de calor em contracorrente

Atualmente as colunas de síntese de amônia são combinadas com caldeiras a vapor para aproveitamento do calor dos gases de exaustão (para 1 tonelada de amônia há 0,6 ... 1 tonelada de vapor d'água a uma pressão de 1,5 ... 2 MPa). As colunas para síntese de amônia sob média pressão têm capacidade para cerca de 150 toneladas de amônia por dia e funcionam sem substituição do catalisador há quatro anos.

Na síntese de amônia sob pressão média (Fig.1.1), uma mistura de nitrogênio-hidrogênio (N 2: H 2\u003d 1: 3) é alimentado à coluna 1, onde a amônia é sintetizada no catalisador; a coluna deixa uma mistura de gás nitrogênio-hidrogênio-amônia (teor de amônia - 14 ... 20%), tendo uma temperatura de cerca de 200 ° C. Essa mistura é enviada para o refrigerador de água 2, resfriada a 35 ° C e alimentada para o separador 3. Aqui, até 60% da amônia formada na coluna é liberada do gás (a uma pressão de 30 MPa, a amônia não pode condensar completamente no refrigerador). A amônia é liberada mais completamente quando a mistura de nitrogênio-hidrogênio é resfriada a temperaturas mais baixas. Esta mistura com o amoníaco restante do separador 3 é enviada para o compressor de circulação 4 e depois para o filtro 6 para separar o óleo do compressor. Na entrada do filtro, uma nova mistura de nitrogênio-hidrogênio é adicionada aos gases circulantes, comprimida até a pressão de operação usando um compressor de múltiplos estágios 5. A partir do filtro, a mistura de gás é alimentada para o sistema de condensação de amônia secundária, que consiste em uma coluna de condensação 7 e um evaporador de amônia líquida 8. Na coluna de condensação, o gás é pré-resfriado em um trocador de calor localizado na parte superior da coluna e, em seguida, enviado para o evaporador 8, onde, devido à evaporação da amônia líquida de entrada, o gás é resfriado a -5 ° C e a amônia é condensada do gás a um teor residual de cerca de 2,5% NH3. A amônia condensada é liberada na parte inferior da coluna de condensação 7, que é um separador. Após a separação da amônia, a mistura de nitrogênio-hidrogênio resfria o gás que entra na parte superior da coluna 7 e depois volta para a coluna de síntese 1.

No caso de síntese de amônia em alta pressão (45 MPa e superior), não há necessidade de sua condensação secundária, pois na saída do refrigerador de água o teor de amônia residual na mistura nitrogênio-hidrogênio é insignificante.

Figura: 17,16. Diagrama de instalação para a síntese de amônia sob pressão média

Descrição do processo tecnológico de produção de amônia e suas características.

... Método do arco. O método do arco consiste em soprar ar através da chama de um arco elétrico. A uma temperatura de cerca de 3000 ° C, ocorre uma reação reversível

2 + O 2 ? 2NO - Q.

O óxido nítrico resultante (II) pode ser oxidado a óxido nítrico (IV) e processado em ácido nítrico e outros compostos. Para obter 1 tonelada de nitrogênio ligado por este método, 60.000 ... 70.000 kWh de eletricidade são consumidos.

2. Método da cianamida.O primeiro processo industrial usado para produzir amônia foi o processo de cianamida. Quando a cal CaO e o carbono foram aquecidos, o carboneto de cálcio CaC2 foi obtido. Em seguida, o carboneto foi aquecido sob atmosfera de nitrogênio para obter cianamida de cálcio CaCN2; então a amônia foi obtida por hidrólise de cianamida:

CaCN 2(tv) + 3H 2О \u003d 2NН 3? + CaCO3 (televisão)

Este processo consumia muita energia e era economicamente desvantajoso.

O processo moderno de produção de amônia é baseado na capacidade do carboneto de cálcio finamente moído a uma temperatura de cerca de 1000 ° C de interagir com o nitrogênio de acordo com a equação

CaC 2 + N 2 \u003d CaCN2 + C + 302 kJ

A parcela da produção de nitrogênio ligado pelo método da cianamida é muito pequena.

O método de fixação de nitrogênio com amônia consiste em sua síntese a partir de nitrogênio e hidrogênio usando um catalisador especial:

2 + 3H 2 ? 2NH3 ? + 45,9 kJ

Este método tem uma vantagem econômica e tecnológica sobre outros métodos de ligação de nitrogênio elementar.

3. Método da amônia.O método de amônia para ligação de nitrogênio atmosférico consiste em combinar nitrogênio com hidrogênio e obter amônia:

N 2+ 3H 2? 2NH 3 + Q.

É o mais econômico (o consumo de energia é 4000 ... 5000 kWh por 1 tonelada de amônia), é tecnologicamente mais fácil de implementar em comparação com outros métodos de ligação do nitrogênio atmosférico. A amônia é responsável por mais de 90% da produção total de compostos de nitrogênio. O hidrogênio para essa reação é obtido por craqueamento térmico de hidrocarbonetos, ação do vapor d'água sobre o carvão ou ferro, decomposição de álcoois com vapor d'água ou eletrólise da água.

4. Uma variante do método da amônia. Em 1909, um método original foi desenvolvido para a produção simultânea de amônia e óxido de alumínio a partir da bauxita através do nitreto de alumínio de acordo com o esquema mostrado na Fig. 14,4.

Figura: 14,4. Produção de amônia a partir de bauxita

Plantas industriais usando este método foram construídas no período de 1909-1918. em vários países, mas o método não encontrou aplicação devido à baixa eficiência de produção.

Conceito químico e de fabricação.

A principal etapa do processo de síntese de amônia a partir de uma mistura de nitrogênio-hidrogênio é descrita pela equação:

N 2 + 3H2 \u003d 2NH 3

Porém, como o método predominante para a produção do ABC é a conversão do metano com ar e vapor, o esquema químico para a produção de amônia inclui, além dessa reação, várias reações de reforma do ar e do vapor:

CH 4 + H 2О \u003d ЗН2 + CO,

CH 4 + 0,5O 2(N 2) \u003d 2H 2 (N 2) + CO

e a conversão subsequente de monóxido de carbono (II) em monóxido de carbono (IV):

CO + H 2O \u003d H2 + CO 2

coluna de absorção de produção de amônia

Após a remoção do monóxido de carbono (IV) da mistura gasosa e correção de sua composição, obtém-se ABC com teor de nitrogênio e hidrogênio de 1: 3.

Assim, a produção moderna de amônia é composta por duas etapas: preparação do ABC e sua transformação em amônia, representando um esquema energético-tecnológico unificado, que combina as operações de obtenção do ABC, sua purificação e síntese de amônia e aproveita efetivamente os efeitos térmicos de todas as etapas do processo, o que permite diversas vezes reduzir os custos de energia.

Figura: 14,7. Diagrama esquemático da produção de amônia

1-purificação de gás natural a partir de compostos de enxofre, 2 - reforma a vapor de metano, 3-conversão de metano no ar, 4 - conversão de monóxido de carbono (II), 5-purificação de quimissorção ABC, 6 - metanação, 7-síntese de amônia, 8 - absorção amônia, compressão de 9-amônia, I-gás natural, gás convertido II, III-ABC, IV-metano

O diagrama esquemático da produção de amônia consiste em três etapas:

A primeira etapa é a obtenção do ABC (mistura de nitrogênio-hidrogênio):

Operação I: purificação do gás natural dos compostos de enxofre;

Operação I: conversão a vapor de metano;

Operação I: conversão de metano no ar;

Operação I: conversão de monóxido de carbono (II).

O segundo estágio é a purificação do gás de impurezas de lastro e impurezas que envenenam o catalisador:

Operação I: limpeza ABC por métodos de absorção de monóxido de carbono (II) e monóxido de carbono (IV);

Operação I: purificação fina de ABC de monóxido de carbono (II) e monóxido de carbono (IV) pelo método de metanação ou pré-catálise.

A terceira etapa é a síntese de amônia do ABC na presença de um catalisador.

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